我国航空发动机材料控制标准发展现状分析

王 晔王 刚

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）



我国航空发动机材料控制标准发展现状分析

王 晔1王 刚2

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）

[摘要]分析了我国航空发动机材料行业标准体系中材料控制标准不健全影响发动机材料制造过程控制和管理的问题，介绍了欧美航空发动机公司材料控制标准体系的特点，提出了建立健全航空发动机材料控制标准的设想。

[关键词]航空发动机；标准；材料控制；分析

[收修订稿日期] 2016-02-25

材料标准（包括热工艺标准、检测标准）是航空发动机材料设计、制造、使用的技术依据，直接关系着材料的技术水平和生产质量，材料标准体系的健全与完善是保障航空发动机冶金质量稳定可靠的重要因素。

我国航空发动机材料行业级以上标准体系已基本建立，主要包括4类标准。

材料标准：主要为金属变形原材料、锻件、铸件、母合金标准，各类非金属材料验收标准，材料基础标准；

热工艺标准：主要为金属热加工（锻造、铸造、焊接、热处理、表面处理等）工艺方法、工艺质量检验、工艺质量控制标准，热处理、焊接等工艺材料标准，非金属材料使用工艺标准；

检测标准：主要为金属材料成分分析、性能测试、金相检验、无损检测方法的通用标准，非金属材料理化性能试验方法标准；

综合管理标准：主要为工艺、检测人员资格标准，钢及高温合金工程认可，发动机材料管理标准等。

各类材料验收标准和检测方法标准以及工艺标准，是航空发动机材料标准体系的主体，有效保障了发动机材料和零部件的冶金质量。

航空发动机材料行业以上标准体系中存在着材料制造过程控制（包括工艺和检测过程控制）以及生产厂控制无标可依或无适用标准的情况，已影响了定型航空发动机的批产质量稳定和生产效率，更不利于新型高性能航空发动机的研制与发展。

近年来，型号发动机研制生产中原材料、锻铸件冶金问题频出，一个主要原因就是未对零部件制造过程进行有效的控制和管理，而材料控制标准的不健全，则是造成制造过程控制和管理缺失的一个重要因素。

1 我国航空发动机材料控制标准现状

1.1 无有效的生产厂控制标准

国内已有航空发动机材料标准体系中缺少先进、适用的对生产厂材料和工艺进行控制的标准。GJB 909A-2005《关键件和重要件的质量控制》、GJB 939-1990《外购器材的质量管理》、GJB 1269A-2000《工艺评审》等材料和工艺控制管理相关国军标偏重质量体系管理要求，对于航空发动机关重锻铸件等产品的过程控制无针对性。

国内针对航空发动机材料制造过程的控制标准仅有：上世纪80年代航空企业在与国外某航空发动机公司合作生产燃机中引入该公司质量控制文件，制定了HB/Z 154-1989《航空用钢及高温合金熔炼和成材工艺认可规范》、HB/Z 155-1989 《航空用钢及高温合金供应厂工程认可规范》、HB/Z 156-1989《航空用钢及高温合金锻件生产工艺认可规范》3项航标，在国内首次提出制造过程的控制标准。此后发布的GJB/Z 33-1993《航空用钢和高温合金质量控制导则》内容基于该3项航标，规定了供方、生产过程、转厂生产、检测和试验设备、不合格品、记录、人员控制等方面先进控制要求，由于未纳入设计文件，该4项标准并未在钢和高温合金材料及锻件的研制生产中贯彻执行。同样，由于未纳入设计文件，2002年发布的HB/Z 354-2002《航空发动机材料研制原则、程序与要求》、HB/ Z 355-2002《航空发动机材料采购原则、程序与要求》，也未在航空发动机材料的研制、采购实际工作中实施并发挥预期作用。

由于国内没有有效的生产厂控制标准，也没有建立对生产厂制造工艺进行控制的有效机制，造成用户对生产厂工艺控制松散：航空厂无法对钢厂前期材料熔炼和锻轧成材生产过程进行监控，主机厂对锻造厂锻件生产过程也无从控制，关重锻铸件重大主导工艺变更（如熔炼、锻压设备等变化）无有效控制机制和标准，材料制造工艺的稳定性得不到控制，给关重件的生产质量造成隐患；甚至用于非关重件的非金属材料也曾因控制管理缺失造成发动机严重故障。

而对材料制造中出现的冶金问题的呈报与处理，国内更没有适用的标准加以规范。近期出现某型机FGH95涡轮盘挡板故障，某型机GH4169 5级涡轮盘断裂两起严重质量事故，存在一个共性问题：配套部门生产厂材料性能检测不合格后，采取了双倍复验后合格交付或直接重新热处理后检测性能合格交付，但材料交付时均未将初检不合格的情况呈报航空厂，航空厂不了解材料存在的隐患，也不可能在材料入厂复验和后续零件加工中加强控制。

1.2 原材料和工艺辅助材料控制标准薄弱

长期以来，国内航空发动机各级材料标准制定重点主要是零部件成品用各类最终材料（铸件、锻件、直接机加工的金属变形原材料）的验收标准，原材料和工艺辅助材料验收及控制标准多未建立。

对于航空发动机关键原材料的控制仅有HB/Z 131-2004《铸造高温合金选用原材料技术要求》一项标准，其主要原材料行业以上标准技术水平不高，电解镍、金属铬、钴等标准均未规定对气体和痕量元素的控制要求，已不适应熔炼优质高温合金锭用材需要；而定向、单晶合金用重要原材料钽、铼、钌、海绵铪，则仅有原材料生产厂企标。对原材料的管理和控制缺失，不利于保证高温合金叶片等关重铸件冶金质量。

国内发动机零部件制造工艺辅助材料多为配套部门生产（如锻造润滑剂、熔模铸造壳型材料）。由于航空厂用量少，基本是卖方市场，航空用户对材料的技术指标无法控制，对材料供方管理困难。而对于长期依赖国外进口的关键辅助材料（如压制铸造叶片蜡模用填充蜡），国内甚至不掌握其标准。工艺辅助材料控制的长期缺失，一定程度上影响了零部件制造质量的稳定性。

1.3 检测控制标准未建立

对于航空发动机材料和零件的无损与理化检测，检测过程控制标准相对于检测方法标准，更未得到重视。国内已开始建立各级检测机构资质审核标准，但检测实验室认证多偏重质量体系要求，国际通行的NADCAP认证重视过程控制，但未引入军品实验室。而材料检测评价标准中，对于无损与理化检测过程的控制标准更是空白，一定程度上影响了产品检测标准的实施效果。

航空发动机产品无损检测技术实施中存在检测过程控制标准缺失的问题，直接关系产品检测质量的关键检测设备、器材也尚未建立控制标准，可能会影响检测结果的可靠性。如对发动机盘件超声检测用水浸自动检测系统，未建立性能测试评价标准，检测系统精度处于失控状态，可能造成缺陷漏检、检测结果不准确，使盘件的安全使用存在风险。

国内理化实验室标准体系中，化学分析、力学性能试验及试样加工、金相检验等各类检测过程控制标准更是空白；材料实验室进行重复试验和替代试验缺乏标准支持，已成为近年来经常困扰实验室的问题。

1.4 工艺质量控制标准不适用

我国航空发动机产品热工艺生产中很少直接采用行业以上标准中各类材料的通用热工艺标准及工艺质量检验标准，而是大量采用工艺要求更适用的本企业工艺标准（或工艺规程），但各级热工艺标准均需遵循国军标中对人、机、料、法、环各环节的控制要求，包括GJB 904A-1999《锻造工艺质量控制要求》、GJB 905-1990《熔模铸造工艺质量控制》、GJB 509B-2008《热处理工艺质量控制》，GJB 480A-1995《金属镀覆和化学覆盖工艺质量控制要求》，工艺质量控制标准也是军品质量审核的依据文件。

已有工艺质量控制国军标多存在技术内容落后、可操作性不强的问题。例如未覆盖高温合金和钛合金等温锻造、钛合金熔模铸造工艺、铸造叶片钎焊、单晶叶片热处理；GJB 905-1990对熔铸设备冷态漏气率检查频次要求严重不适应设备状况已改善的现状，极大地影响生产进度；对工序检验人员5年工作年限的要求在实际实施中难以保证。

已有工艺质量控制国军标仅涉及发动机零部件制造的传统工艺，对涡轮叶片涂层技术应用的真空电弧镀、电子束物理气相沉积等新型工艺，叶片零件的电加工和气膜孔打孔工艺、盘/轴/叶片零件表面强化工艺，均尚未建立工艺质量控制标准。

2 欧美航空发动机材料控制标准体系概况

GE、P&W、R.R等欧美航空发动机公司随着发动机研制生产的系列化，均建立了各自完整、配套的材料标准体系。在发动机研制、生产中，除少数材料采用AMS等通用标准外，对发动机关键材料均建立了完整、配套的公司规范，满足了其发动机零部件的设计要求及产品质量要求。

各公司规范中强化产品制造过程中的控制，建立了大量控制标准，涉及各类材料的批准与控制，各类材料的检验、试验程序与要求，特种工艺的批准与控制，各类工艺控制规范等等。

批准与控制标准是各公司控制标准的主体，规范了材料和工艺的批准程序、方法以及控制要求，主要涉及锻/铸件及原材料、非金属材料、复合材料的批准与控制，锻造/铸造产品的实验室批准与控制程序、转动件用锻造产品的检验和试验程序、来源及方法更改的批准、材料熔炼中潜在危险的控制、制造零件用原材料的采购和控制、不合格品审理程序、零件可追溯性要求、锻/铸件供货状态批准要求包等等。

各公司材料检测试验控制标准健全，包括发动机零件制造用各类金属、非金属、复合材料的检验和试验程序，各类材料的取样和试验要求，试样加工要求，检测实验室和检测过程控制要求。检测试验控制标准保证了对材质的准确评价。

欧美发动机公司对国际通行的需进行NADCAP批准和用户批准的9种特种工艺，制定了大量的工艺控制规范，涉及复合材料制造、热处理、化学加工、焊接、表面硬化、无损检测、涂层、非传统加工、关键零部件传统加工。工艺控制规范中严格规定对供应商、设备、材料、工序操作和检验要求及工艺参数控制的要求，有效保证了对制造过程的管理和控制。

控制标准是国外发动机公司进行产品过程控制、保证质量的核心文件。通过在材料和零件生产过程中实施供应商审核、批准与控制、材料检测试验控制、工艺控制，实现了对材料制造全过程质量控制，有效保证了发动机材料及零部件的冶金质量。

从国内冶金厂和航空厂在外贸和转包生产中，接受国外用户对制造过程的审核与控制后，外贸和转包生产锻件的冶金质量明显优于国内供货材料的现象，可见控制标准对提高材料冶金质量的作用。

3 建立健全航空发动机材料控制标准的设想

随着我国新型高性能航空发动机研制中开始引入适航管理要求，不仅强调发动机材料要符合经过批准的规范，而且更重视制造过程控制，要求工艺固化批准、工艺质量稳定，因此在航空发动机材料行业以上标准体系建设中，除应建立健全各类材料验收标准、工艺方法及工艺质量检验标准、检测评价方法标准，还应借鉴欧美航空发动机材料控制标准体系经验，建立健全材料批准与控制标准以及各类工艺与检测技术控制标准，从以下几方面开展标准研究制定工作。

● 建立材料批准与控制标准：对航空发动机关键重要零部件用锻铸件产品，建立变形原材料、锻坯和锻件批准与控制要求系列标准，铸件和铸造高温合金锭批准与控制要求系列标准，熔模铸造辅助材料控制标准，以规范锻铸件新产品试制、验证、批准程序，以及主导工艺控制、冶金问题报告等研制生产要求；对新型航空发动机大量应用复合材料以及特种橡胶等各类非金属功能材料，尽管用于非关键重要部位，也应建立相应材料批准与控制要求标准，以规范非金属和复合材料研制、生产要求；

● 建立检测控制标准：借鉴欧美航空发动机公司检测控制标准，建立材料和零件无损检测控制标准，化学成分分析、力学性能试验、性能试样加工、金相试验控制要求，关键材料的检验与试验要求，为提高检测数据的一致性、可靠性和准确性提供系统性标准支持；

● 建全与完善工艺控制标准：总结涡轮叶片长寿命热障涂层、叶片零件电加工和气膜孔打孔工艺、盘/轴/叶片零件表面强化工艺应用研究成果，建立气相沉积工艺控制、电加工工艺控制、喷丸工艺控制标准；总结发动机零部件制造应用的传统热工艺技术进步的成熟经验，完善修订锻造、熔模铸造、焊接、热处理工艺质量控制等热工艺质量控制国军标，规范零部件制造工艺过程的控制要求，保障热加工工艺质量稳定。

在先进航空发动机研制中贯彻实施材料控制标准，能够实现零部件制造过程的有效控制和管理，有力保障零部件制造工艺质量稳定，从而保障发动机冶金质量稳定可靠。

（编辑：雨晴）

[中图分类号]T-65

[文献标识码]C

[文章编号]1003-6660（2016）03-0003-04

[DOI编码]10.13237/j.cnki.asq.2016.03.001